II. HỌC TẬP TẠI XƯỞNG THỰC HÀNH VỀ CÁC NỘI DUNG:NHẬN
3. Transistor BJT
Mục tiêu:
+ Hiểu được nguyên lý hoạt động transistor + Biết cách phân cực cho transistor
+Nhận dạng được transistor + Đo được transistor
3.1 Cấu tạo và phân loại
Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp P-N , nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận , nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược. về phương diện cấu tạo Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau .
Hình 3.16: Cấu tạo bên trong transistor
• Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực , lớp giữa gọi là cực gốc ký hiệu là B ( Base ), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp.
• Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát ( Emitter ) viết tắt là E, và cực thu hay cực góp ( Collector ) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P ) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được.
3.2 Nguyên lý làm việc
Hình 3.17: Nguyên lý hoạt động của tranistor NPN
Mạch khảo sát về nguyên tắc hoạt động của transistor NPN
• Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn vào cực C và (-) nguồn vào cực E.
• Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B và E , trong đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E.
• Khi công tắc mở , ta thấy rằng, mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện nhưng vẫn không có dòng điện chạy qua mối C E ( lúc này dòng IC = 0 ) • Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện
chạy từ (+) nguồn UBE qua công tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE về cực (-) tạo thành dòng IB
• Ngay khi dòng IB xuất hiện => lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối CE làm bóng đèn phát sáng, và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB
• Như vậy rõ ràng dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc theo một công thức .
IC = β.IB
• Trong đó IC là dòng chạy qua mối CE • IB là dòng chạy qua mối BE • β là hệ số khuyếch đại của Transistor
Giải thích : Khi có điện áp UCE nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua mối tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện, khi xuất hiện dòng IBE do lớp bán dẫn P tại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số điện tử tự do từ lớp bán dẫn N ( cực E ) vượt qua tiếp giáp sang lớp bán dẫn P( cực B ) lớn hơn số lượng lỗ trống rất nhiều, một phần nhỏ trong số các điện tử đó thế vào lỗ trống tạo thành dòng IB còn phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp UCE => tạo thành dòng ICE chạy qua Transistor.
* Xét hoạt động của Transistor PNP .
Sự hoạt động của Transistor PNP hoàn toàn tương tự Transistor NPN nhưng cực tính của các nguồn điện UCE và UBE ngược lại . Dòng IC đi từ E sang C còn dòng IB đi từ E sang B.
3.3 Chế độ phân cực và ổn định nhiệt 3.3.1 Cách mắc Bazơ chung (CB)
Tín hiệu vào hai cực E- B, tín hiệu ra lấy trên hai cực C - B, cực B chung cho cả tín hiệu vào và tín hiệu ra. Cực B đấu mát với tín hiệu xoay chiều. Cách mắc sơ đồ CB được minh hoạ trên Hình 3.18.
Trên hình vẽ mũi tên chỉ chiều của dòng điện trên các cực của tranzito. Để thấy rỏ quan hệ giữa 3 cực của tranzito trong cách mắc CB người ta dùng hai đặc tuyến: đặc tuyến vào và đặc tuyến ra. Đặc tuyến vào cho Hình 5.16.a mô tả quan hệ giữa dòng vào IE với điện áp vào UBE, ứng với các giá trị khác nhau của điện áp ra UCB.
a. Tranzito PNP; b. Tranzito NPN Hình3.18:. Sơ đồ cách mắc CB
Đặc tuyến ra (Hình 3.19 ) mô tả quan hệ giữa dòng điện IC với điện áp ra UCB ứng với các giá trị khác nhau của dòng điện vào IE. Trên đặc tuyến này được chia làm 3 vùng: vùng tích cực, vùng cắt, vùng bão hoà
a. Đặc tuyến vào; b. Đặc tuyến ra Hình 3.19: Đặc tuyến của cách mắc CB
Hình 3.20: Dòng bão hoà ngược ICO
Vùng tích cực được dùng để khuếch đại tín hiệu (nên còn được gọi là vùng khuếch đại), trong vùng tích cực chuyển tiếp emitơ được phân cực thuận, chuyển tiếp colectơ được phân cực ngược. Ở phần thấp nhất của vùng tích cực (đường IE
= 0), dòng IC là dòng bão hoà ngược, dòng ICO rất nhỏ cỡ (µA) và thường được kí hiệu thay cho ICBO (Hình 3.20)
Khi tranzito hoạt động trong vùng tích cực có quan hệ gần đúng IE = IC. Vùng cắt là vùng mà ở đó dòng IC = 0. Trong vùng cắt chuyển tiếp emitơ và colectơ đều phân cực ngược.
Vùng bão hoà là vùng ở bên trái đường UCB = 0 trên đặc tuyến ra. Trong vùng bão hoà chuyển tiếp emitơ và colectơ đều phân cực thuận
3.3.2 Cách mắc Emitơ chung (CE):
Tín hiệu vào hai cực B - E, tín hiệu ra lấy trên hai cực C - E, cực E chung cho cả tín hiệu vào và tín hiệu ra. Cực E đấu mát với tín hiệu xoay chiều.
a.Tranzito NPN; b. Tranzito PNP Hình 3.20: Sơ đồ cách mắc CE
Trong cách mắc CE, đặc tuyến ra là quan hệ giữa dòng IC và điện áp ra UCE, ứng với khoảng giá trị của dòng vào IB. Đặc tuyến vào là quan hệ giữa dòng vào IB và điện áp vào UBE,ứng với khoảng giá trị của điện áp ra UCE.
Chú ý rằng trên hình 3.21, độ lớn của IB khoảng µA, còn độ lớn của IC cở mA.Vùng tích cực của cách mắc CE là miền ở bên phải của nét đứt UCEbh và phía trên đờng IB = 0.
a. Đặc tuyến vào ; b. Đặc tuyến ra Hình 3.21: Đặc tuyến của cách mắc CE
Vùng phía trái đường UCEbh là vùng bão hoà. Vùng cắt là vùng ở phía dới đ- ờng IB = 0.
Trong vùng tích cực chuyển tiếp emitơ được phân cực thuận, chuyển tiếp colectơ được phân cực ngược, vùng này được dùng để khuếch đại điện áp, dòng điện hoặc công suất. Theo đặc tuyến Hình 3.21 b khi IB = 0 thì dòng IC ± 0. điều này được giãi thích như sau:
(3.1) + Hệ số β :
Trong chế độ một chiều, để đánh giá khả năng điều khiển của dòng IB đối với dòng IC, người ta định nghĩa hệ số
đại dòng điệnβ:
3.3.3 Cách mắc colectơ chung (CC):
Tín hiệu vào hai cực B - C, tín hiệu ra lấy trên hai cực E - C. Cực C đấu mass với tín hiệu xoay chiều. Sơ đồ cách mắc CC được cho trên Hình 5.10
a. Tranzito NPN; b. Tranzito PNP Hình 3.22: Sơ đồ cách mắc CC
Đặc tuyến vào và đặc tuyến ra của cách mắc CC tơng tự nh cách mắc CE, bằng cách thay IC bởi IE, UCE bởi UEC.
3.4 Các tham số cơ bản và tham số tới hạn của tranzito:
Khi sử dụng tranzito cần lưu ý các tham số của nó. các tham số này đều có ghi trong sổ tay tra cứu. Sau đây là các tam số chính
- Dòng góp lớn nhất cho phép (ICm)): nếu dòng góp một chiều vợt quá trị số cho phép thì tranzito có thể bị hỏng.
- Điện áp góp lớn nhất cho phép (Ucm): cả hai điện áp UCE và U CB đều phải dưới mức cho phép, nếu vợt quá thì tranzito có thể bị hỏng.
- Công suất tiêu tán tối đa cho phép (Ptt)) là mức công suất lớn nhất tiêu tán ở tiếp giáp gốc – góp trong một thời gian dài mà tranzito vẫn làm việc bình thường.
- Hệ số khuếch đại dòng điện ỏ (mạch gốc chung) hay ò (mạch phát chung): ỏ hay ò càng lớn thì khả năng khuếch đại tín hiệu của nó càng lớn.
- Tần số cắt fC là tần số khi tranzito làm việc thì hệ số khuếch đại dòng điện của nó giảm đi 0,7 lần trị số lúc nó làm việc ở tần số thấp. Ở tần số cao hơn thì hệ số khuếch đại dòng điện càng giảm nhanh. Người ta còn xác định tần số tới hạn fT là tần số mà hệ số khuếch đại dòng điện ò của tranzito còn bằng 1
- Dòng góp ngược hay dòng dò ICo; là dòng góp khi mạch vào hở mạch, đối với mạch gốc chung ta có dòng ICo (tức là ICbo). Với mạch phát chung ta có ICe. Dòng này càng nhỏ thì tranzito càng tốt, tranzito silic có dòng dò nhỏ rất nhiều so với tranzito gecmani.
- Giới hạn nhiệt độ làm việc: nhiệt độ càng tăng thì ICo tăng, ICm, UCm, Ptt đều giảm và tranzito làm việc không ổn định. Do đó, phải có giới hạn nhiệt độ của tranzito. Tranzito chế tạo bằng silíc có giới hạn nhiệt độ làm việc cao hơn tranzito chế tạo bằng gecmani.
Hệ số tạp âm: Hệ số tạp âm của các loại tranzito đều có ghi trong sổ tay và tính theo dB. Tranzito có hệ số tạp âm càng nhỏ thì trị số dB càng lớn.
Hình 3.23: Vùng hoạt động của tranzitor
Đối với mỗi tranzito có một vùng làm việc trên đặc tuyến ra, nếu tranzito hoạt động trong vùng này sẽ có tỷ lệ tín hiệu ra trên tín hiệu vào là lớn nhất với độ méo nhỏ nhất. Vùng này sẽ bị giới hạn bởi một vài tham số như dòng IC lớn nhất ICmax (đối với cách mắc CE).
Với tranzito có đặc tuyến ra như Hình 3.23 có ICmax = 50 mA, UCemax = 20 V.
Đường UCEbh trên đặc tuyến là giá trị nhỏ nhất của UCE, thông thường UCEbh = 0,3 V.
Công suất tiêu hao lớn nhất được định nghĩa: PCmax = UCE. IC
Với tranzito cho trên Hình 5.22 thì PCmax = 300mW.
Ví dụ, chọn IC = ICmax = 50mA suy ra UCE = 6 V. Chọn UCE = UCemax = 20V, suy ra IC = 15mA. Nếu chọn IC nằm giữa hai khoảng trên, IC = 25mA thì UCE = 12V. Với 3 điểm trên ta có thể vẽ được đường cong công suất (có thể lấy thêm các điểm khác).
Như vậy, vùng hoạt động của tranzito bị giới hạn bởi các tham số: ICEO ≤ IC≤ ICmax
UCEbh≤ UCE≤ UCEmax
Chú ý với cách mắc CB thì PCmax = UCB. IC
3.5 Thực hành nhận dạng và đo transistor 3.5.1 Thực hành nhận dạng transistor
Hình 3.24: Hình dáng transistor thực tế
* Hiện nay trên thị trường có nhiều loại Transistor của nhiều nước sản xuất nhưng thông dụng nhất là các transistor của Nhật bản, Mỹ và Trung quốc.
Transistor Nhật bản : thường ký hiệu là A..., B..., C..., D... Ví dụ A564, B733, C828, D1555 trong đó các Transistor ký hiệu là A và B là Transistor thuận PNP còn ký hiệu là C và D là Transistor ngược NPN. các Transistor A và C thường có công xuất nhỏ và tần số làm việc cao còn các Transistor B và D thường có công xuất lớn và tần số làm việc thấp hơn.
Transistor do Mỹ sản xuất. thường ký hiệu là 2N... ví dụ 2N3055, 2N4073 vv...
Transistor do Trung quốc sản xuất : Bắt đầu bằng số 3, tiếp theo là hai chũ cái. Chữ cái thức nhất cho biết loại bóng : Chữ A và B là bóng thuận , chữ C và D là bòng ngược, chữ thứ hai cho biết đặc điểm : X và P là bòng âm tần, A và G là bóng cao tần. Các chữ số ở sau chỉ thứ tự sản phẩm. Thí dụ : 3CP25 , 3AP20 vv..
3.5.2 Thực hành đo transistor
(1) Hãy tìm chân B.
Bạn lấy thang đo Rx1, tìm đo trên hai chân của transistor, đo chiều này kim không lên, rồi cho đảo dây đo kim cũng không lên, Bạn kết luận hai chân đang
đo là chân E (Emitter, chân phun dòng) và chân C (Collector, chân thu gom dòng), vậy chân còn lại chính là chân B (Base, chân nền) của transistor.
Hình 3.26: Sơ đồ đo và kiểm tra chân B của BJT PNP
Do đó, Bạn hãy lấy thang đo ohm Rx10K, lúc này trên dây đo sẽ có 12V (từ nguồn pin 9V + với nguồn pin 3V), dùng mức áp này đo nghịch trên mối nối B-C (kim sẽ không lên) và đo nghịch trên mối nối B-E, kim sẽ lên, vì sao có khác biết này? vì mối nối B-E chịu áp 9V đã bị đánh thủng ở mức áp 12V của máy đo. Qua dấu hiệu này Bạn dễ dàng xác định được chân C và chân E.
(4) Hãy xác định độ lợi dòng điện của transistor.
Lấy thang đo ohm Rx10, chập hai dây đo, chỉnh kim về vạch 0 Ohm. Cắm transistor C1815 vào đúng chân C, B, E của 3 lỗ cắm NPN trên máy đo. Kim lên, Bạn đọc kết quả trên vạch chia HEF. Kim chỉ 200, có nghĩa là độ lợi
dòng điện của transistor 2SC1815 là 200 lần (nó có nghĩa dòng điện IC chảy ra trên chân C lớn hơn dòng điện IB chảy ra trên chân B là 200 lần). Tham số HFE
còn gọi là hệ số beta của transistor
Với transistor PNP cũng làm tương tự, cắm transistor vào 3 chân C, B, E của bộ chân cắm PNP và đọc kết quả trên vạch chia HFE, Bạn sẽ biết được độ lợi dòng điện HFE của transistor
Hình 3.27 Sơ đồ xác định độ lợi của transistor
Bài tập thực hành dành cho học viên
Mục tiêu:
- Biết được phương pháp xác định chân tranzito bằng VOM
- Điều chỉnh điện trở định thiên để phân cực cho tranzito đúng chỉ tiêu kỹ thuật.
- Tính toán được chế độ 1 chiều của các mạch định thiên.
Hình thức tổ chức:
- Học viên được biên chế vào từng nhóm 5 người tiến hành làm bài tập: - Viết báo cáo chi tiết về bài tập đã làm.
Sau khi khảo sát xong cả nhóm cùng nhau xây dựng đề cơng báo cáo chung của nhóm. Từng thành viên trong nhóm sẽ được phân công thực hiện một khía
cạnh của bài tập.Trong nhóm sẽ có một người chịu trách nhiệm điều hành và ghép nối để hoàn thành bản báo cáo tổng thể.
Từng bài sẽ trình bày trưước cả lớp để các nhóm khác cùng đánh giá và cho điểm nộp giáo viên.
Yêu cầu:
+ Nắm vững nội dung được phân công (cách điều chỉnh tranzito thông mạnh, yếu, xác định đờng tải tĩnh...)
+ Tính toán chế độ tĩnh cho các kiểu mạch định thiên +Trình bày phải đầy đủ và mạch lạc, có tính thực tiễn.
Bài 3.1. Trình bày cấu tao, kí hiệu quy ước và nguyên lý hoạt động của tranzito lưỡng cực (BJT)
Bài 3.2: Tranzito có mấy kiểu mắc mạch cơ bản? Trình bày cụ thể các kiểu mạch trên và phân biệt các thành phần dòng điện,điện áp ngõ vào và ngõ ra trong mỗi cách mắc.
Bài 3.3: Các thành phần dòng điện quan trọng nhất của BJT và các hệ thức liên hệ giữa các dòng điện này.
Bài 3.4: Mạch định thiên cho BJT nhằm mục đích gì? Có mấy kiểu mạch định thiên? trình bày cụ thể các kiểu mạch định thiên trên.
Bài 3.5: Đặc tuyến tải 1 chiều của BJT là gì? Cách xác định đặc tuyến này? Hãy chỉ ra điểm làm việc một chiều Q trên đường tải này; nếu thay đổi giá tri RC thì điểm làm việc tĩnh sẽ thay đổi nh thế nào trên đặc tuyến?
Bài 3.6: Đặc tuyến Von – Ampe vào và ra của BJT trong 3 kiểu mắc EC, BC, CC biểu hiện quan hệ đến các tham số nào của tranzito?
Bài 3.7: Trình bàycách nhận dạng các loại tranzito BJT bằng mã số ghi trên thân tranzito.
Bài 3.8: Khi dùng VOM để xác định các cực E, B, C của tranzito thì sử dụng thang đo nào? trình bày cách xác định các cực E,B,C của tranzito bằng VOM.
Bài 3.9: Để nhận biết tranzito tốt, xấu thì dùng phương phàp nào? Trình bày cụ thể phương pháp đó.
Bài 3.10: Tìm câu trả lời đúng:
a. Tranzito PNP sẽ dẫn điện khi:
UE< UB < UC
UE> UB > UC
UE> UB < UC
• |UC | > |UB |> |UE|
o UC > UB> UE o UC > UB> UE o UC < UB< UE o |UC | > |UB |> |UE| c. Tranzito BJT dùng để: o Khuếch đại o Tạo dao động
o Chỉnh lưu dòng xoay chiều
o Tách sóng
Bài 3.11*: Cho mạch CE, trình bày cách điều chỉnh cho Q1, Q2, Q3 thông